Лабораторная работа №1. Изучение процесса теплопроводности

Изучение процесса теплопроводности

Цель работы: Исследование явления диффузионного переноса тепловой энергии; определение потерь теплоты в окружающую среду.

Основные понятия

Перенос энергии в форме тепла, который происходит между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом. Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур более нагретого и менее нагретого тел, при наличии которой тепло самопроизвольно переходит от более нагретого к менее нагретому телу. Теплообмен между телами представляет собой обмен энергией между молекулами, атомами и свободными электронами; в результате теплообмена интенсивность движения частиц более нагретого тела снижается, а менее нагретого - возрастает.

Низкая теплопроводность теплоизоляционных и многих строительных материалов объясняется тем, что они имеют пористую структуру, причем в их ячейках заключен воздух, плохо проводящий тепло. Коэффициенты теплопроводности газов возрастают с повышением температуры и незначительно изменяются с изменением давления. Для большинства жидкостей значение , наоборот, уменьшается при увеличении температуры. Исключение составляет вода, коэффициент теплопроводности которой несколько возрастает с повышением температуры до 130°С и при дальнейшем ее увеличении начинает снижаться. Для большинства металлов коэффициенты теплопроводности уменьшаются с возрастанием температуры. Значение редко снижается при наличии в металлах примесей.

Теплопроводностью называется явление диффузионного переноса теплоты путем теплового движения молекул. Количество тепла, передаваемого через поверхность, перпендикулярную тепловому потоку, прямо пропорционально градиенту температур. Эта зависимость описывается законом Фурье:

где – тепловой поток, Дж;

– градиент температур, К/м;

–поверхность теплообмена, м²;

– время, с;

– коэффициент теплопроводности, Вт/(м К).

В обычных условиях коэффициент теплопроводности газов меньше, чем у капельных жидкостей. Самая высокая теплопроводность у металлов. теплоизоляционных материалов близки к газам, так как они имеют пористую структуру, в ячейках которой заключен воздух.

Существует оптимальный размер воздушных пузырьков, при котором теплопроводность минимальна. При чрезмерно большом размере пор в них усиливается конвективный теплообмен, что ухудшает теплоизоляционные свойства.

При повышении температуры газов повышается, что также отрицательно влияет на свойства теплоизоляторов.

Одним из методов определения коэффициента теплопроводности является метод стационарного теплового потока для тел простой геометрической формы. Тепловой поток:

через плоскую стенку

через цилиндрическую стенку

где – толщина стенки, м;

– расчетная поверхность, м²;

–длина, м;

– внутренний и наружный диаметры цилиндрического образца, м;

–температуры внутренней и внешней поверхности образца, ;

–коэффициент теплопроводности, Вт/(м² ).

Потери тепла с 1 м² поверхности рассчитывается по формуле

где – удельный тепловой поток, Вт/м²;

)– разность температур стенки и окружающей среды, К;

– коэффициент теплоотдачи совместно конвекцией и излучением, Вт/м² .